人造太阳：为开发核聚变能源探路（走近大科学

我国自主设计、自主建造的全超导托卡马克核聚变实验装置。中国科学院合肥研究院等离子体所供图

眼下，合肥科学岛春光无限、生机盎然。小岛的中间地带，矗立着一座外形酷似宇宙飞船的大楼——中国科学院合肥研究院等离子体所；大楼深处，有一个大科学装置——全超导托卡马克核聚变实验装置（中文名为东方超环，简称EAST），俗称“人造太阳”。

这座由我国自主设计、自主建造的核聚变实验装置，多次创造出等离子体运行的世界纪录，代表着我国磁约束聚变研究在高温等离子体运行物理和工程方面的研究水平，为全人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础。

“人造太阳”长什么样？何时能造福人类？前不久，记者进行了实地探访。

一旦人类掌握了核聚变能，将拥有可使用上百亿年的清洁能源

尽管提前做了一些功课，当真正来到“人造太阳”面前，这个庞然大物依然让人震撼。装置主体高11米、直径8米、重达400吨，周围供电、冷却等辅助设备林立。其核心结构是一个像面包圈的环形磁容器“托卡马克”。

探访当天，“人造太阳”并未进行实验。大约十几名科研人员手持检测工具，在装置主体上下攀爬，进行设备维护和更新。装置零件数量巨大，材料和工艺完全依靠自主研发。从2006年建成至今，装置每年都会进行保养和零部件更新换代，确保实验的顺利进行。

俗话说万物生长靠太阳。在太阳内部无时无刻不在发生着核聚变，为大自然带来最普遍的能量来源。所谓“人造太阳”，是指充分利用这个科学原理，在地球上建造一套核聚变装置，像太阳一样发生核聚变反应，从而源源不断地产生能量。严格意义上讲，“人造太阳”的称谓并非专属于东方超环，凡是应用了类似原理的装置，都能这么称呼。

“人造太阳”重要性体现在哪里？

这要从核聚变能的优点说起。相比核裂变，核聚变没有放射性。氘和氚反应的生成物是氦气，对环境无害，一旦造成反应的等离子体熄灭，聚变反应会终止。核聚变的原料储量也很丰富，氘可以直接在海水中提取，氚则可以通过中子和锂反应产生。据估算，一升海水中提炼出来的氘经过核聚变反应释放出的能量相当于300升汽油完全燃烧释放的能量。核聚变能凭借资源无限、清洁环保，不产生高放射性核废料等优点，是目前认识到的、可以最终解决全球能源问题的重要途径之一。一旦人类掌握了核聚变能，将拥有可使用上百亿年的清洁能源。

东方超环这座大科学装置对实现核聚变能有什么贡献？

中科院合肥研究院副院长、等离子体所所长宋云涛介绍，这座大科学装置的科学目标，正是从前期基础研究出发，对受控核聚变相关的前沿物理问题展开探索性实验研究，既着眼物理理论突破，同时验证工程上的可行性，为将来打造真正的商业聚变堆、电站打下基础。

太阳发生核聚变，主要依靠星球引力约束等离子体。可地球上没有那么大引力，要想让能量不失控，就需要借助磁场来约束。受控热核聚变的实现离不开超高温、超低温、超强磁场、超大电流、超高真空的极限环境，科学家们用磁场做成“托卡马克”这座“磁笼”，牢牢将高温物质控制住，磁场外面用真空隔绝，保护装置材料不被烧毁。

尽管主流可控核聚变方式不止有磁约束这一种，还有惯性约束、引力约束等，但磁约束在实验室条件下接近成功，也是国际上主流的研究方向。因此，托卡马克核聚变实验装置被公认为是探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径，是地球寻找聚变能源出路的希望。

在东方超环这座大科学装置的牵引下，衍生出一系列创新成果

从5000万摄氏度放电30秒至60秒，再到百秒，再到1亿摄氏度运行20秒……东方超环不断刷新着放电纪录。如果能较长时间维持1亿摄氏度的高温，实现接近1000秒的放电时间，将证明人类距离解决核聚变商业化应用的步伐更进一步。

每一秒的增长，在科学上都具有极高的难度，背后是科研人员夜以继日的钻研和呕心沥血的付出。

实现受控热核聚变和稳态约束等离子体，是国际共性科学难题。根据物理学理论“劳森判据”，核聚变点火条件包括核聚变燃料的温度、密度和约束时间这三个要素。据等离子体所博士鄢容介绍，想实现聚变反应，首先要达到1亿摄氏度以上，使聚变燃料完全电离，并在保证等离子体密度的前提下，将高温等离子体维持相对足够长的时间，不泄露不逃逸，才可能释放出足够多的能量。托卡马克的高温物质，就像是一群正在嬉戏打闹的淘气孩子，很难控制。温度、密度、时间这三个要素缺一不可，相互协调到最佳状态，才能实现稳态约束。

文章来源：《真空科学与技术学报》 网址: http://www.zkkxyjsxb.cn/zonghexinwen/2021/0419/679.html